Marzenie o niezależności, kawa z ekspresu na środku dzikiej plaży czy praca zdalna z mazurskiej polany – to wszystko staje się możliwe dzięki jednemu urządzeniu. Sercem każdego mobilnego systemu energetycznego jest przetwornica napięcia DC/AC. Choć na pierwszy rzut oka każde z tych urządzeń robi to samo (zamienia prąd z akumulatora na taki, jaki mamy w gniazdku w domu), przed wyborem należy zapoznać się nieco z tematem z technicznego punktu widzenia.
W tym artykule przeanalizujemy, jaka przetwornica do kampera, samochodu, czy na działkę będzie optymalna, na co zwrócić uwagę, do czego warto dopłacić i czy gdzieś można bezpiecznie zaoszczędzić. Podamy też wytyczne, jakimi dobrze się kierować przy instalacji urządzenia, aby było to bezpieczne.
1. Co to jest przetwornica – podstawowe informacje.
Podstawowym wyzwaniem w podróży jest fakt, że nasze urządzenia domowe wymagają do pracy napięcia przemiennego AC 230V. Zasilanie samochodu bazuje na napięciu stałym DC, zazwyczaj 12V. Dlatego wymagane jest urządzenie (przetwornica), która zamieni jeden typ zasilania na drugi. Można ją więc traktować jak przenośne źródło prądu, które pozwala nam zabrać domowy komfort w dowolne miejsce na świecie.
2. Czysty sinus czy modyfikowany?
To bardzo często poruszany problem, ale i też kluczowy – to najważniejszy podział techniczny w przetwornicach. Dla wielu osób może kojarzyć się jednak tylko z marketingiem czy namawianiem na większy wydatek. Jest to z jednej strony w pełni zrozumiałe, gdyż zazwyczaj na pierwszy rzut oka każde urządzenie podłączone do obu typu przetwornic będzie działać, więc po co przepłacać? Prawda jak to często w życiu bywa, jest pośrodku.
Sinusoida modyfikowana (tzw. aproksymowana, a realnie przebieg prostokątny): To prostsza konstrukcja. Choć schemat blokowy przetwornicy jest praktycznie taki sam, to jednak są różnice w działaniu „mostka H”, który to główne odpowiada za kształt generowanego przebiegu.
Do czego? Do grzałek, oświetlenia żarowego i większości zasilaczy impulsowych (np. ładowarek telefonu/laptopa).
Wykluczenia: Urządzenia z silnikami indukcyjnymi na prąd przemienny (lodówki, wentylatory, pompy), zasilacze transformatorowe (używane np. w sprzęcie Hi-Fi) oraz urządzenie czułe na jakość zasilania.
Czysta sinusoida: Tutaj przetwornica korzysta z bardziej rozbudowanego „mostka H” i dodatkowych dławików na wyjściu. Umożliwia to generowanie przebiegu identycznego z tym, który jest w gniazdku domowym.
Do czego? Tu nie ma żadnych ograniczeń. Można podłączyć wszystko tak samo, jak do gniazdka domowego.
Błędne podłączenie: Co się stanie, gdy do przetwornicy z sinusoidą modyfikowaną podłączymy „niekompatybilne” urządzenie? Zazwyczaj będzie działać, ale często głośniej i krócej – jest narażone na szybsze uszkodzenie. Dlatego przy wyborze typu przetwornicy nie można podchodzić tak, że „skoro działa, to działa”. Przy nagminnym używaniu niewskazanych typów urządzeń, prawdopodobnie ostatecznie skończy się to wymianą przetwornicy, a więc poniesieniem podwójnego kosztu zakupu.
Szerzej o kształcie napięcia można dowiedzieć się w naszym artykule:
Czysty sinus czy modyfikowany sinus. Jaka przetwornica napięcia będzie najlepsza dla Ciebie?
3. Jak dobrać moc przetwornicy do swoich potrzeb?
Przyjęło się podawać w parametrach dwie moce: moc ciągłą i moc chwilową (szczytową).
Moc ciągła: To wartość, z jaką przetwornica teoretycznie może pracować non stop.
Moc szczytowa: Zazwyczaj dwukrotnie wyższa, dostępna, ale przez bardzo krótki czas. Jest to niejako pewien margines, który pozwala na włączenie urządzeń pobierających w czasie uruchamiania większej mocy, niż nominalna. Nie można jednak traktować tego jako zawsze działający bezpiecznik. Czas, przez który większa moc jest dostępna, jest bardzo krótki, zazwyczaj ułamki sekundy.
Ogólnie dobierając moc przetwornicy, trzeba spróbować założyć, ile jednocześnie urządzeń będzie włączonych. Moc przetwornicy nie może być mniejsza niż suma ich mocy maksymalnych. Trzeba jednak pamiętać, jeżeli twój ekspres do kawy pobiera 1400W, nie kupuj przetwornicy 1500W. Zostaw margines bezpieczeństwa rzędu 20-30%. Urządzenie pracujące na 100% swoich możliwości będzie generować duże ilości ciepła, co skróci jego żywotność. Dodatkowo spowoduje to częstszą i głośniejszą pracę wentylatorów, co w oczywisty sposób wpływa na komfort używania sprzętu. Przy urządzeniach z silnikami na prąd przemienny, typu lodówka z agregatem, czy pompa, należy znacząco przewymiarować moc przetwornicy, nawet 2-3 krotnie. Tego typu urządzenia podczas rozruchu pobierają znacząco większą moc niż znamionowa i żadna moc szczytowa nie jest w stanie tego skompensować.
4. Napięcie wejściowe: 12V czy 24V?
W większości kamperów standardem jest 12V, co wynika z instalacji samochodowej. Jeżeli jednak mamy tylko możliwość użycia 24V, zróbmy to. Ma to kluczowy wpływ na sprawność i straty instalacji. Większe napięcie zasilania, to mniejsze prądy obwodu DC. Mniejsze prądy, to możliwość zastosowania cieńszych przewodów. Cieńsze przewody to wygoda przy kładzeniu instalacji oraz znaczna oszczędność. Porządne, grube miedziane przewody są po prostu drogie. Przetwornica na 24V nie musi mieć też przewymiarowanych średnic w środku, w związku z czym może być po prostu mniej „wyżyłowana”. Jeżeli instalacja ma być na działkę, gdzie źródłem zasilania jest instalacja fotowoltaiczna PV, dobrze jest sparować to tak, aby napięcie było 24, czy nawet 48V. Oczywiście wymusza to użycie nie jednego, a dwóch czy czterech akumulatorów połączonych szeregowo. Jednak podczas pracy prądy są mniejsze, co znacząco pozytywnie wpływa na ich żywotność.
5. Sprawność i straty energii.
Żadna przetwornica nie ma 100% sprawności. Typowe modele osiągają ok. 85-92%, a dodatkowo jest to zależne od wartości obciążenia. Oznacza to, że jeśli zasilasz urządzenie 100W, przetwornica pobierze z akumulatora ok. 110-115W. Reszta zamieni się w ciepło.
Dodatkowo pamiętaj o poborze prądu w stanie jałowym (Stand-by). Nawet jeśli nic nie jest podłączone do gniazdka 230V, włączona przetwornica pobiera od 0,5A do nawet 2A, by utrzymać pracę swoich układów sterujących. W skali doby może to zużyć sporą część pojemności akumulatora. Trzeba więc pamiętać wyłączać przetwornice, gdy nie jest używana.
6. Jak podłączyć przetwornicę – krok po kroku.
Instalacja to proces, gdzie najczęściej dochodzi do błędów, a mogę one być naprawdę poważne. Przetwornica pobiera z akumulatora ogromne prądy. Przy mocy 2000W i napięciu 12V, natężenie prądu wynosi prawie 200A. To prąd porównywalny z prądem rozruchowym silnika!
Zasady bezpiecznego montażu:
Długość przewodów: Powinny być jak najkrótsze. Każdy dodatkowy metr to spadek napięcia, który może spowodować, że przetwornica wyłączy się z błędem „Low Battery”, mimo że akumulator jest naładowany. Po prostu, na akumulatorze może być 12V, ale do przetwórcy dojdzie już tylko np. 10V, gdyż 2V zostaną utracone na przewodach zasilających. Oczywiście można i należy to ograniczać poprzez wybór odpowiedniej średnicy przewodów, jest to jednak koszt. Jeżeli więc można skrócić instalację, należy to zrobić.
Przekrój przewodów: Można by napisać, że użycie przewodów o zbyt małej średnicy jest niebezpieczne, gdyż grozi pożarem. Za cienki przewód przy dużym prądzie zacznie się grzać i może zapalić materiał znajdujący się obok. Jednak taka sytuacja spowoduje też znaczący spadek napięcia na przewodach, co spowoduje zadziałanie zabezpieczenia w przetwornicy od za niskiego napięcia i jej wyłączenie. Można więc zaryzykować stwierdzenie, że pożaru nie powinno być. Dlatego odpowiednia średnica przewodu ma za zadanie głównie zminimalizować straty energii. Czy na pewno jest to aż tak ważne? Tak, przykład:
Przewód zasilający przetwornicę o przekroju 16mm2.
Napięcie akumulatora 12V
Prąd 150A, co zgodnie ze wzorem na moc:
P=U*I
daje 12*150=1800W
mocy pobieranej, a uwzględniając sprawność przetwornicy ~1600W mocy wyjściowej.
Załóżmy, że przetwornica znajduję się metr od akumulatora. Jaka będzie strata mocy na przewodzie zasilającym? Dla miedzi 1m przewodu 16mm2 ma rezystancję ~1,07mΩ, wydaje się, że to bardzo mało i faktycznie jest to mało. Jednak idąc dalej, jaki będzie spadek napięcia na tym odcinku przewodu?
U=R*I
U=0,00107[Ω]*150[A]=0,16 [V]
Mało? Malutko, ale zaraz, nie będzie to 1 metr, no bo przewody zasilające są przecież dwa…. A więc spadek napięcia rośnie już do 0,16*2= 0,32 [V] To niby nadal mało.
No dobrze, a jaka będzie to strata mocy?
znów P=U*I
P=0,32[V]*150[A]=48 [W]
Hmmm, no to już wygląda poważniej. 50W to już trochę jest. Weźmy 50 watową żarówkę, włączmy i potrzymajmy w dłoni, długo nie wytrzymamy. Oczywiście żarówka grzeje się punktowo, dlatego czuć to bardziej niż gdy ciepło rozkłada się na cały przewód zasilający. Jednak moc wydziela się ta sama. Pamiętajmy, że odległość przetwornicy od akumulatora to tylko 1metr! Wydłużenie tej odległości o kolejny metr spowoduje liniowy wzrost straty. Napięcia stracimy 0,64V, co spowoduje wygenerowanie prawie 100W mocy w postaci ciepła na przewodzie. Może to powodować topienie się na nim izolacji, gdy będzie za cienki.
Co zrobić, aby zmniejszyć straty? Zwiększyć przekrój przewodu. Następna wartość w typoszeregu to 25mm2. Pomijając tu już wyliczenia, użycie takiego przewodu w analogicznej instalacji spowoduje:
Spadek napięcia: 0,2 [V]
Strata mocy: 31 [W]
Widać więc, że przekrój przewodów zasilających jest po prostu kluczowy. Oczywiście zazwyczaj nie są non stop używane urządzenia o takim poborze mocy, ale też zazwyczaj trudno jest też umieścić przetwornicę bardzo blisko akumulatora. Zaznaczamy więc, co jest ważne, a już każdy instalator musi samemu i świadomie wybrać i wykonać instalację, która będzie odpowiednia dla dedykowanego zastosowania.
Bezpiecznik: Jest znacząco zalecany. Co prawda przetwornica zazwyczaj ma w sobie wbudowane zabezpieczenie nadprądowe. Jednak nie trudno sobie wyobrazić sytuację, że po czasie użytkowania nastąpi gdzieś przetarcie izolacji na przewodzie zasilającym, zwarcie do masy pojazdu i przepływ prądu ograniczony tylko rezystancją przewodu i wydajnością prądową akumulatora = pożar. Zamontowanie bezpiecznika ma wyeliminować taką możliwość lub ją znacząco zminimalizować. Aby to jednak działało, bezpiecznik musi być zamontowany jak najbliżej akumulatora. Powinien to być bezpiecznik typu Mega-Fuse o wartości o ok. 20% wyższej niż maksymalny prąd przetwornicy.
Wentylacja: Nie zamykaj przetwornicy w szczelnym schowku. Radiatory potrzebują przepływu powietrza. Oczywiście miejsce na przetwornicę musi być też suche, gdyż nie są to urządzenia o wysokim stopniu ochrony IP. Niewątpliwie też montaż przetwornicy we względnie widocznym miejscu ułatwi jej przegląd wizualny, który co pewien czas należy wykonać.
7. Funkcje dodatkowe, które warto rozważyć.
Moc, napięcie zasilania i kształt przebiegu to bez wątpienia główne i często wystarczające przy wyborze parametry. Są jednak detale, które dla niektórych osób lub pewnych zastosowań też mogą być ważne.
- Zakres napięcia wejściowego. „Dół” to zazwyczaj 10V, ale bywa też 9, czy 10,5V. To, że przetwornica może działać na niższym napięciu, może być wadą, lub zaletą, zależy od instalacji. Warto jednak zwrócić na to uwagę.
- Liczba i typ gniazd wyjściowych. Choć zawsze można użyć przedłużacz czy rozgałęźnik, to czasami dobrze jest mieć zapas w postaci drugiego gniazda. Często jednak liczba gniazd wynika wprost z wielkości obudowy, a nie oszczędności. Dobrze jest unikać gniazd „uniwersalnych”, które choć umożliwiają pracę z wieloma różnymi wtyczkami używanymi w różnych krajach, to mogę nie trzymać wpiętego wtyku wystarczająco mocno.
- Wyświetlacz to przydatny dodatek. W razie awarii czytelniej informuje o kodzie błędu niż diody LED, czy sygnały dźwiękowe. Dodatkowo zazwyczaj pokazuje aktualne napięcie, prąd czy moc, co pozwala na bieżąco nadzorować, czy z system wszystko w porządku.
- Pilot. Przewodowy lub bezprzewodowy. Wygodny, gdy często włączamy/wyłączmy przetwornicę z innego miejsca niż jest zainstalowana.
- Wentylacja. Raczej każda przetwornica ma wentylację wymuszoną, a więc korzysta z wbudowanego wentylatora(ów). Zasady włączania chłodzenia są bardzo różne. Mogą być od temperatury, od zakresu mocy. Mogą mieć różną histerezę – włączają się przy zadanej temperaturze, ale wyłączają przy innej, niższej, aby zmniejszyć częstotliwość włączania/wyłączania. Ich głośność też jest różna, co mimo jej podawania w dB, może być w zależności od modelu mniej czy bardziej przeszkadzające w zależności od zastosowania.
8. Zasilanie przetwornicy – wybór akumulatora.
Dla przetwornicy źródło zasilania nie ma znaczenia. Urządzenie oczekuje tylko odpowiedniego zakresu napięcia stałego o wystarczającej wydajności prądowej. Czy więc będzie podłączona do akumulatora w samochodzie, akumulatora instalacji fotowoltaicznej off grid, czy po prostu zasilacza – nie ma to dla niej znaczenia.
Jednak dla źródła zasilania, a więc akumulatora ma już znaczenie, że ma współpracować z przetwornicą DC/AC. Ponieważ jest to urządzenie o wysokim zapotrzebowaniu na moc, akumulator musi być w stanie bezpiecznie i przez długi czas taką moc przekazać. Dlatego do pracy z przetwornicami zalecane są akumulatory:
- AGM / żelowe
- LiFePO4 – choć droższe, dużo lepsze. Pozwalają na bardzo głębokie rozładowanie i bez problemu oddają prądy rzędu 150-200A bez drastycznego spadku napięcia. Są lżejsze i trwalsze.
Teraz na pewno łatwiej będzie wybrać odpowiednią dla siebie przetwornicę w naszym sklepie.
